Евклид: поиски темной материи и темной энергии ЕКА

Исполнитель

Художественная концепция миссии Евклида ЕКА по изучению темной энергии. (Изображение предоставлено ЕКА / К. Карро)



Евклид - это миссия, запланированная Европейским космическим агентством (ЕКА), цель которой - узнать больше о частях Вселенной, которые мы не видим, в частности, о темной энергии и темной материи. Они образуют большую часть Вселенной и считаются ответственными за такие явления, как ускорение расширения Вселенной.



Ожидается, что Евклид будет запущен в 2020 году из Французской Гвианы на борту ракеты-носителя 'Союз'. Евклиду потребуется примерно 30 дней, чтобы добраться до запланированного места в космосе, которое представляет собой гравитационно стабильную область, известную как Точка Лагранжа . Евклид будет в L2, который находится примерно в миллионе миль от Земли, но в противоположном направлении от Солнца. В этот момент, когда за ним находятся Земля, Луна и Солнце, космический корабль может получить четкое изображение глубокого космоса.

В качестве исследовательской миссии Евклид продлится не менее шести лет и покроет 15 000 квадратных градусов неба. Его обзор будет выполняться по принципу «шаг и взгляд», что означает, что телескоп будет проводить измерения на площади около 0,5 квадратных градусов неба за раз.



История Евклида

Текущее руководство ЕКА для научных миссий называется Cosmic Vision 2015-2025. В 2007 году процесс предложения для Cosmic Vision привел к двум миссиям, предназначенным для измерения геометрии Вселенной: DUNE (Исследователь Темной Вселенной) и SPACE (Спектроскопический Исследователь Вселенной Вселенной).

Предполагалось, что DUNE будет отображать небо в широком поле для изучения темной энергии и темной материи. Его основным методом измерения было слабое гравитационное линзирование. SPACE должен был создать трехмерную карту эволюции Вселенной через 10 миллиардов лет путем измерения галактики. красные смещения и спектры. Однако после оценочного исследования эти две миссии были объединены в одну: Евклид. (Евклид назван в честь древнегреческого математика, которого иногда называют «отцом геометрии».)

В 2011 году среди нескольких предложений ЕКА выбрало Solar Orbiter и Euclid в качестве первых двух своих миссий среднего или M-класса. Ожидается, что Solar Orbiter будет запущен в 2018 году, а Euclid - в 2019 году.



В 2013 году НАСА подписало меморандум о взаимопонимании с ЕКА на поставку 20 детекторов для прибора Евклида в ближней инфракрасной области. НАСА также назначило 40 американских ученых для присоединения к консорциуму Евклида, который создает инструменты и позже будет анализировать научные данные миссии. Позже в том же году итальянская компания Thales Alenia Space была выбрана в качестве генерального подрядчика миссии. Евклид прошел предварительную проверку проекта в 2015 году, и первые части летного оборудования - четыре детектора для визуализации видимого диапазона - были доставлены в ЕКА в начале 2017 года.

Евклидова наука

Мы можем видеть только часть известной вселенной. Обычная материя составляет около 4 процентов, темная материя - 20 процентов, а темная энергия - 76 процентов. Понимание того, что такое темная материя и темная энергия, может помочь ученым, например, узнать, почему Вселенная ускоряется в своем расширении. Для объяснения ускорения недостаточно «обычной» материи.

Евклид расскажет ученым больше о темной вселенной. Одна из его основных целей - точно отобразить красное смещение галактики, которое происходит, когда объект удаляется от нас. Свет смещается к красному концу спектра по мере увеличения длины волны. Если объект приближается, свет перемещается к синему концу спектра, так как его длины волн становятся короче. Миссия обратится к галактикам, которые сформировались еще 10 миллиардов лет назад, что более чем вдвое превышает возраст Солнечной системы. В своей основной миссии Евклид нанесет на карту около половины неба.



В частности, детекторы Евклида должны проводить два космологических зонда. Один будет изучать слабое гравитационное линзирование, которое происходит, когда концентрация вещества искривляет свет, когда свет движется к наблюдателю. Это полезно для картирования темной материи и для вывода темной энергии путем измерения того, насколько изображения галактик искажены линзой.

Другой зонд будет изучать барионные акустические колебания (BAO), которые измеряют пространственное распределение галактик. В очень больших масштабах галактики имеют тенденцию группироваться в пары, разделенные стандартным расстоянием. Это стандартное расстояние связано со звуковыми волнами в плазме (наддувном газе) из ранней Вселенной; звуковые волны распространяются от ореолов темной материи или скоплений темной материи, связанных с галактиками. Таким образом, BAO являются стандартной линейкой для измерения расширения Вселенной, а также темной энергии.

Наука Евклида будет выполняться двумя приборами, а 1,2-метровое зеркало космического корабля будет разделять свет между ними для анализа:

  • Визуализатор видимого диапазона (VIS), который будет включать в себя десятки устройств с зарядовой связью, специально разработанных для этой миссии. ESA заявило, что эти устройства будут обладать высокой эффективностью, низким уровнем шума и хорошей радиационной стойкостью. Поле зрения VIS немного больше, чем область, покрываемая двумя полными лунами.
  • Спектрометр и фотометр ближнего инфракрасного диапазона (NISP), который обеспечит фотометрию галактик в ближнем инфракрасном диапазоне. Цель состоит в том, чтобы объединить наблюдения NISP и VIS, чтобы показать красное смещение галактик, наблюдаемое Евклидом.

Общие цели Евклида (по словам ЕКА):

  • Исследуйте свойства темной энергии, точно измеряя как ускорение, так и изменение ускорения в разные эпохи Вселенной;
  • Проверить справедливость общей теории относительности в космических масштабах;
  • Исследуйте природу и свойства темной материи, нанося на карту трехмерное распределение темной материи во Вселенной;
  • Уточните начальные условия в начале нашей Вселенной, которые засевают формирование космических структур, которые мы видим сегодня.

Другие миссии темной материи

Темная материя - все еще относительно молодая наука, но были некоторые наблюдения, сделанные другими космическими миссиями, чтобы помочь Евклиду в работе.

Космический гамма-телескоп Ферми был запущен в 2008 году. Одна из его научных целей - изучить темную материю, в частности, исследуя такие явления, как избыточное гамма-излучение из центра Млечного Пути. В 2014 году НАСА объявило, что избыточное излучение, наблюдаемое в этой области, «согласуется с некоторыми формами темной материи». В 2017 году наблюдения за близлежащей галактикой Андромеды выявили те же явления.

Другие космические миссии обнаружили темную материю, хотя это и не входило в их основные миссии. Одним из примеров является исследование в 2015 году 72 столкновений скоплений галактик, в котором использовались данные как из Космический телескоп Хаббла и рентгеновская обсерватория Чандра. В то время ученые заявили, что это исследование помогло установить ограничения на природу темной материи. «Астрономы могут составить карту распределения темной материи, анализируя, как свет от удаленных источников за пределами скопления усиливается и искажается гравитационными эффектами», - говорится на странице обсерватории Чандра Гарвардского университета в пресс-релизе.

Хаббл также провел исследование, которое помогло составить карту распределения темной материи во Вселенной, НАСА. говорится в пресс-релизе 2007 г. .

Миссия ESA Gaia была запущена в 2013 году для создания наиболее точной карты расположения звезд на небе. Считается, что отображение их движений откроет больше информации о природе темной материи и о том, как она повлияла на историю Вселенной.

Дополнительный ресурс